富水串珠状溶洞公路隧道施工技术研究

肖载兴

(中铁十四局集团有限公司 山东济南 250000)

1 引言

溶洞是可溶性岩石在地下水的长期作用下形成的特殊产物，往往伴随着地下水的充填和连通，并在溶洞内存在不同程度的充填物，当隧道穿越岩溶地区时，存在溶洞空腔坍塌、填充物涌出的可能，给隧道的施工带来极大的挑战[1－3]。串珠状岩溶是最为复杂岩溶发育形态之一，极易受到扰动产生灰岩顶板松动掉块、岩溶水连通、冒顶坍塌等不良影响，对隧道施工安全造成危害[4－6]。

李雄周等[7]依托云南高速公路隧道的施工，提出挂网喷射混凝土＋土石回填的溶洞处置方案；胡炜等[8]针对高压富水地区的岩溶隧道展开分析，提出了相应的防排水优化措施；袁永才等[9]提出桥梁跨越及暗河改道的综合施工方案能够有效治理大型、特大型溶洞。目前，研究文献主要集中在不同尺度大小的溶洞处理，对于富水条件下的串珠状岩溶治理方法报道较少[10]。

鉴于此，本文依托重庆市快速路歇马隧道工程，针对场区的岩溶水和溶洞发育情况进行分析，分别提出富水溶洞的治理技术和溶洞的处理方案，以期丰富串珠状富水岩溶地区的隧道施工经验，为后续类似工程建设提供借鉴和参考。

2 工程概况及重难点分析

2.1 工程概况

重庆市快速路歇马隧道工程位于重庆市北碚区，隧道线路长约4 187.46 m。顶板最大埋深约392.00 m，属深埋特长隧道；隧道采用分离式设计，左右隧道平面线型均为直线型，两洞平均净间距约35 m。隧道轮廓宽×高为14.50 m×9.60 m。隧道设计概况如表1所示。

表1 重庆市歇马隧道设计概况

隧址区主要揭露地层为侏罗系的上沙溪庙组(J2s)、下沙溪庙组(J2XS)、新田沟组(J2X)、自流井组(J1-2Z)、珍珠冲组(J1Z)；三叠系的须家河组(T3xj)、雷口坡组(T2l)、嘉陵江组(T1j)、飞仙关组(T1f)；第四系零星分布，厚度不大，主要为崩坡积()、残坡积物()。

2.2 工程重难点分析

(1)场区串珠状岩溶发育，处置不当易发生突水涌泥事故。

歇马隧道穿越的可溶岩地层长度较大，穿越的主要岩溶地层为中统雷口坡组(T2l)白云质灰岩、下统嘉陵江组(T1j)灰岩。其中，中统雷口坡组(T2l)白云质灰岩分布于观音峡背斜两翼，受地下水波动的影响，在与下部的下统嘉陵江组(T1j)灰岩接触地带，发育连通性溶蚀孔洞、垂向裂隙、洼地溶槽等，而下统嘉陵江组(T1j)灰岩主要在垂向上发育溶洞，溶洞发育形态更为复杂和多变，受到地下水的长期溶蚀形成串珠状溶洞、溶蚀裂隙、落水洞等，串珠状溶洞间的灰岩间隔厚度大小不一，且溶洞内填充状态也难于探测清楚，易受到施工扰动影响使得灰岩顶板塌陷，串珠状溶洞连通，填充物涌出，对隧道的施工和结构的安全造成不利影响。

以右线隧道为例，场区可溶岩的分布里程为YK7＋194～YK9＋490，共计2 296 m，该范围内6个钻孔，总进尺约1 875 m，揭示溶洞(槽)285个，呈串珠状发育，线溶率为35%，单钻孔内溶洞最大竖向高度为25 m，场区岩溶发育程度判定为强发育。

(2)场区地下水发育，水力联系复杂，涌水量大。

隧址区域地下水分布广泛，中梁山地表、地下水力联系十分复杂，观音峡背斜两翼的三叠系中统雷口坡组(T2l)和下统嘉陵江组(T1j)及珍珠冲组(J1Z)、须家河组(T3xj)、飞仙关组(T1f)等地层，岩溶水与基岩裂隙水、地表水的水力联系十分复杂，隧道施工遇高压涌水、突泥风险性较高。

隧址区地下水发育，含水层主要分为两类:第①类含水层为(T2l＋T1j＋T1f)含水层，岩性以灰岩为主，岩体裂隙发育，岩溶水量丰富；第②类含水层为(T3xj)含水层，岩性以砂岩为主，岩溶裂隙较发育，弱～中等透水性。对隧道掘进影响主要为第①类含水层，采用分段预测的方法对隧道的涌水量进行预测，结果如表2所示。

表2 隧道涌水量预测 m3/d

3 富水溶洞隧道治水技术

为保证施工及结构安全，降低施工的风险性，故对岩溶地下水的处理措施如下。

3.1 处理原则及方法

施工时，按照“先预报、常观测、帷幕堵、限量排、强支护、快封闭、早衬砌”等综合处理原则治理岩溶水和裂隙水[11－12]。首先采用综合超前预报方法对隧道掌子面前方不同距离和不同方位的岩溶水进行探测，若超前预报解译表明存在异常段，则进一步采用钻孔台车，实施超前地质钻孔进行验证，超前钻孔的直径不小于75 mm，探水孔终孔超出开挖轮廓线外150 cm，每次探水段长30 m，开挖25 m，保留5 m作为下一次探水孔的重叠区域。如图1所示。

图1 岩溶水异常段钻孔超前探测验证

综合超前探测成果，分析溶洞的分布范围、大小、距离、填充物、岩溶水水量、水压等情况，制定相应的治理方案，明确注浆孔布置、注浆压力等参数。为保护地下水环境、减少地层失水和避免隧道开挖突水涌泥，隧道掘进前，采用功能快速隧道注浆集成系统对掌子面前方的溶洞、裂隙进行注浆填充，对岩溶水进行阻隔，同时采用相应的抗水压衬砌[13]。

3.2 富水溶洞隧道主要治水措施

根据歇马隧道施工经验表明，采取超前小导管帷幕注浆、开挖后全断面径向注浆、局部超前小导管注浆、补注浆四种治水措施能够有效阻隔地下水，确保隧道施工安全。

(1)超前小导管帷幕注浆。设计注浆段长度为25 m，分四环实施，第一环长13 m，第二、三、四环长25 m。每个注浆段完成后留6 m不开挖作为下一注浆段的止浆岩盘。注浆范围为正洞紧急停车带拱部及边墙为开挖轮廓线外6 m，仰拱为开挖轮廓线外4 m；正洞非紧急停车带的拱部及边墙处注浆范围不小于轮廓外5 m，仰拱处注浆范围不小于轮廓外3 m。如图2所示。

图2 超前帷幕预注浆平面图(单位:cm)

(2)开挖后全断面径向注浆。正洞紧急停车带隧道，注浆范围超过开挖轮廓线外6 m；正洞紧急停车带隧道，注浆范围超过开挖轮廓线外5 m。注浆孔每一环设18个孔，纵向450 cm一环，每环设4个检查孔。如图3所示。

图3 开挖后全断面径向注浆立面图

(3)局部注浆分为局部超前预注浆、开挖后局部注浆等几种，主要针对的是局部小型的串珠状溶洞以及局部地下水渗流、局部溶槽涌水。如图4、图5所示。

图4 局部超前探水遇溶槽涌水处理

图5 开挖后遇溶槽涌水处理

(4)补注浆为按上述三种注浆方式实施后，水流量仍大于控制排水量，注浆固结圈综合渗透系数大于设计控制值或仍有局部出水点时，根据实际情况选择上述注浆方式一种或多种进行补充注浆。

3.3 治水措施的确定

(1)当超前隧道超前地质预报和探水钻孔表明隧道掌子面前方存在富水岩溶、水压和水量规模较大，易引发涌泥突水可能，若不处理会危及施工及结构安全时，原则上采用超前帷幕注浆堵水技术。

(2)当根据地表水文监测分析、结果及综合超前地质预报判定，地下水和岩溶水发育，在隧道掘进过程中受到溶洞和泄漏，引发地下水环境和地表生态环境破坏时，原则上采取超前帷幕注浆堵水技术。

(3)当隧道穿过不同可溶岩分界线地段及物探异常地段，岩体局部存在破碎带和软弱带，水量和水压不大，但判定有突水突泥可能，围岩无自稳能力时，实施超前局部注浆。

(4)当隧道围岩完整或较完整，但由于开挖使得局部小型串珠状溶洞泄水，可以针对出水点或渗水点采用局部径向注浆处理。

3.4 注浆参数的确定

帷幕注浆钻孔采用方阵形式布置，每环孔底间距不大于4.5 m，使单孔注浆扩散圈有效重叠，形成阻水帷幕。浆液单孔有效扩散设计半径按3.0 m考虑，设计注浆压力按实测水压的2倍考虑，施工中根据现场注浆试验进行调整。超前预注浆主要采用水泥与水玻璃双液浆或纯水泥浆液，水泥采用C20普通硅酸盐水泥，水灰比范围为0.8～1.0，水玻璃波美度范围为43～45 Be，双液体积比范围为 1∶0.4～1∶0.6。

当单孔注浆压力和进浆量达到设计值时停止单孔注浆；当所有注浆孔均注浆结束，检查孔涌水量及隧道实测涌水量小于设计值，注浆有效注入范围大于或等于设计值，经评判开挖不会发生突水突泥灾害时全段停止注浆。

单孔结束标准:(1)注浆压力达到设计注浆压力值，持续注浆10 min后可结束注浆；(2)进浆量小于20 L/min且无漏浆时，可结束注浆。

全段结束标准:(1)所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注现象；(2)检查孔涌水量小于0.1 L/min；(3)注浆后检测涌水量小于0.5 m3/m·d；(4)检查孔钻取岩芯，浆液充填饱满，并达到一定强度；(5)注浆加固注入范围大于设计值。

4 隧道穿越串珠状溶洞治理方案

隧道穿越可溶岩地段时，在隧道二次衬砌施作前必须采用地震单点反射波法(HSP)结合地质雷达对隧道径向15 m范围进行探查，异常处尚需钻孔验证，以查明隧道径向15 m范围隐伏岩溶位置、大小、顶底板厚度，以便处理。

当溶洞规模较大，或溶洞虽小但要求不堵塞水流，或溶洞深浚或充填物松软，基础处理困难或耗资巨大时，则可根据具体条件采用相应的结构形式，如梁跨、板跨、拱跨等跨越措施。

对已停止发育的干小溶洞，采用混凝土、浆砌片石或干码片石堵塞、填实，必要时注浆加固以防止塌陷。

根据洞内充填物的性状，可选用清除、换填、桩基、注浆等技术措施。对不能填实的溶洞壁面，视情况采用锚喷、钢筋网、钢筋束进行封闭加固处理。

穿越串珠状溶洞段时，隧道支护衬砌参数与同级围岩衬砌结构相同，必要时应设置护拱。隧道穿越岩溶区串珠状溶洞时侧壁处治方案如图6a、图6b所示，拱顶处治方式如图6c所示，仰拱底部处治方式如图6d～图6f所示。

图6 隧道穿越串珠状溶洞处置方法

5 实施效果与体会

(1)以右线隧道为例，重庆歇马隧道全长4198 m，可溶岩分布范围为YK7＋194～YK9＋490，共计2 296 m，该范围内6个钻孔，总进尺约1 875 m，揭示溶洞(槽)285个，呈串珠状发育，线溶率为35%，单钻孔内溶洞最大竖向高度为25 m，场区岩溶发育程度判定为强发育。

(2)隧址区地下水发育，地下水水力联系复杂，含水层主要分为两类:第①类含水层为(T2l＋T1j＋T1f)含水层，岩性以灰岩为主，岩体裂隙发育，岩溶水量丰富；第②类含水层为(T3xj)含水层，岩性以砂岩为主，岩溶裂隙较发育，弱～中等透水性。对隧道掘进其控制性影响的主要为第①类含水层。

(3)富水串珠状溶洞由于溶洞发育呈串珠状，溶洞间灰岩厚度不一，受隧道掘进扰动后极易出现涌水突泥等风险，经过大量的现场实践总结，提出的4种堵水方案以及针对溶洞不同发育程度和发育位置的处置方案，有效地解决了富水串珠状溶洞难处理、难支护的问题，施工期间未出现坍塌和突水涌泥等风险，保障了隧道的顺利贯通；同时，隧道开通运营1年来，隧道结构无一处渗水漏水，安全可靠，大大地降低了运营养护成本。